基于GPS／UWB的室内外无缝定位实验装置

曾庆喜， 金 宇， 林雅洁， 修巧艳， 张 琪， 蔺筱宣

（南京航空航天大学 a.自动化学院；b.教师发展与教学评估中心／高等教育研究所，南京 211106）

0 引 言

随着汽车工业的发展以及人们生活水平的提高，城市机动车辆迅速增加，这给城市交通带来了压力的同时也对停车场的管理技术提出了要求［1-2］。目前，对于传统停车场，车主进入停车场后，不能迅速、准确地找到自己满意的停车位，这浪费了车主的时间，同时也降低了停车场的运行效率。随着计算机技术逐渐被应用到停车场中，停车场的智能化和自动化程度也在不断地提升［3］。停车场有室外停车场与室内停车场，在对车辆进行诱导停车时，室外停车场可使用GPS 对车辆进行定位，但对于室内停车场，GPS 信号受到遮挡，会出现GPS 拒止的情况，无法对车辆进行定位，UWB定位需要预先布置基站，适用于室内定位［4-5］。

单一的GPS或UWB的定位方法不足以实现大范围的室内外定位导航，故引入UWB 模块与GPS 进行联合定位［6］。本文设计的实验装置可应用于智能停车场等环境，满足车辆诱导等定位需求。本文将从实验的角度分析单一GPS／UWB 模块的具体定位性能，给出相对坐标解算算法以及GPS与UWB 在不同定位环境下的切换算法。

1 GPS模块定位实验

1.1 单频GPS定位原理

GPS定位方式可以分为单点定位与差分定位。所谓单点定位，即根据单一的地面接收机得到的观测量来确定接收机具体坐标位置的方式。它仅仅采取伪距观测量来进行定位和坐标解算，用于车辆、船舶、无人机等的初步定位［7-8］。

对于单点定位来说，其基本原理是伪距测量。在利用伪距法进行绝对定位过程中，伪距的观测方程如下：

式中：c是光速；tR是信号到达接收机的时刻；tS是信号离开卫星的时刻~为卫星与地面接收机的距离。

依据平面建立坐标系的方式，接收机坐标未知数有L（经度）、B（纬度）、H（高度）以及t（时钟同步）。所以至少需要4 颗可见卫星，联立4 个伪距方程，才可以解算出地面接收机的坐标信息。

1.2 GPS硬件搭建及数据传输

本文采用单频GPS模块，如图1 所示，将U-BLOX芯片与GPS 接收机，TTL 转USB 串口相连，制得一个简易的单频GPS模块，该模块可以直接向单片机传输经度、纬度和高度等信息，波特率为9.6 Kb／s，以字符型数据格式传输，1 帧数据的数据长度为71 bit。

图1 单频GPS模块

由于GPS模块以帧为单位发送数据，故使用GPS模块首先需要判断接收数据是否帧格式正确。本文采用对接收到的每1 帧GPS 数据的多位标志位进行校验，从而保证数据接收的完整性和准确性。

其次就是在1 帧数据中解析出所需要的经度、纬度、高度，以及可见卫星数量信息。由于该模块在传输过程中是以字符型数据传输，故在解析过程中需要逐位编写程序进行解析得到经纬度信息。

1.3 GPS坐标转换算法与误差分析

由于GPS模块传输的经纬度信息不能直接用于导航定位分析，故本文采用高斯-克吕格投影法［9］，将经纬度信息通过投影方式转换到大地平面坐标系X、Y、Z三轴正交坐标系上，具体方法如下：

数据解析与坐标转换完成后，即可通过单片机读取GPS定位信息并分析其定位质量。

单点静态定位效果如图2 所示，图中横轴为单点静态定位的采样点序号；纵轴为单点静态定位的Y 轴坐标值。在Y轴方向，GPS原始定位数据有毛刺误差，最大绝对误差3 m左右。经Kalman滤波之后，定位效果更加平稳，误差相对减小［10-11］。

图2 GPS单点静态定位效果图

多点动态轨迹定位效果如图3 所示，实验地点在南航东区操场跑道，自坐标系左下方点（－132.250 000，－273.835 600）开始。由图可见，在开始位置准备阶段的停留时间过长等原因，红色原始轨迹波动比较剧烈，但经过Kalman 滤波之后的蓝色曲线虽然与RTK系统相比有差距，但是已经使得GPS数据平滑并减小了大部分毛刺和阶梯状误差。

图3 GPS操场动态定位轨迹

由上述GPS 静态及动态定位实验轨迹图可得，GPS在10 m级的定位是可以保障稳定的，在解析定位的过程中采用参数合理的Kalman 滤波程序可以保证轨迹的平滑性和准确性。

2 UWB模块定位实验

2.1 TOF测距原理

本文使用研创物联UWB Mini 3S Plus系列超宽带测距模块。该模块的测距原理是双向时间飞行法（TW-TOF，two way-time of flight）。在启动开始时，UWB系统中的每一个模块（基站或者标签）都会生成一条互不干扰的时间戳。如图4 所示，基站1 在其时间戳的t11上发送信息1，基站2 在t21时刻接收，并在t22时刻发射一个响应信息1 的信息2，基站1 在t12时刻接收该响应信息2。根据上面阐述的发送与接收响应过程，可以计算出信息在两个模块之间的飞行传递时间，并通过计算得到基站1 与基站2 之间的距离。设该距离为S，光速为c，则

图4 双向时间飞行法（TOF）

式中：T1＝t12－t11；T2＝t22－t21。

2.2 UWB硬件搭建

本文中使用的UWB模块主控芯片是STM32 单片机，测距芯片为UWB DW1000。该模块支持虚拟USB串口，通信距离可达300 m。

打开单片机程序软件以及UWB 的基站与标签，能够观察到UWB的基站0 通过USB虚拟串口传送到电脑端的数据传送格式如下：

mc 0f 00000663 000005a3 00000512 000004cb 095f c1 00023c24 a0：0 mc表示基站-标签（修正数据），后面的4 组数据是各个基站到标签之间的距离。

文中提到UWB 与GPS 数据判定、解析相似，在UWB的处理过程中，首先对其进行格式检验，并逐位解析；UWB模块数据以16 进制数据格式传输，在逐位解析过程中，需要对UWB 数据进行进制转换，得到基站和标签之间的距离。

要实现三维定位，则该定位系统需要4 个基站和1 个可移动标签组成，三维定位基站搭建时，各个基站之间距离大于1 m，至少有1 个基站与其他3 个基站高度差50 cm以上。如图5 所示，在建立的坐标系中，基站0 坐标为（0，0，－928），基站1 坐标为（1 213，0，0），基站2 坐标为（－1 428，0，0），基站3 坐标为（0，－1 130，0），单位mm。

图5 UWB室内定位基站布置

2.3 UWB相对坐标解算算法与数据分析

根据TOF双向飞行时间法可以获取基站与标签之间的距离R［12-13］。由图6 可知，当求解标签二维平面坐标时，可通过提前标定并建立坐标系获取3 个基站的X、Y两轴坐标，再通过3 个圆交于一点解算出标签的X、Y二维坐标。

图6 TOF算法原理

因为需要三维定位信息，故可根据上述原理，4 个基站建立坐标系。Ra，Rb，Rc，Rd为UWB 模块测距结果，X1—X4，Y1—Y4，Z1—Z4为建立坐标系时标定的坐标值，为已知值。设标签坐标为X，Y，Z。可列出以下方程：

本文采用线性方程解法解算出在UWB 基站建立坐标系下的坐标。在数据解析与坐标转换完成后，即可通过单片机读取UWB 定位信息并分析其定位质量。

单点静态定位效果如图7 所示，在X 轴方向，当有障碍物遮挡基站或标签时，UWB 定位有最大可达50 cm的静态定点误差。经Kalman 滤波之后，可将最大绝对误差降至15 cm 以内；当无障碍物遮挡时，UWB定位处于相对理想状态，定位精度可达到cm级。

图7 UWB定点静态定位效果

动态轨迹效果如图8 所示，在基站无遮挡慢速前进的情况下，原始数据轨迹在转向等区域波动较大，绝对误差在15 cm上下起伏，通过Kalman滤波之后轨迹相对平滑，绝对误差值降低，符合预期。

图8 UWB动态轨迹

3 GPS与UWB 双定位系统切换算法设计与实验

3.1 GPS与UWB双定位系统切换算法设计

定位方法如图9 所示，在距离目标位置较远时，通过GPS模块获取经纬度坐标，并通过高斯-克吕格算法将其转化为大地坐标系坐标，通过两者大地坐标系坐标计算得到相对坐标［14］。

图9 GPS／UWB定位系统整体设计

通过相对坐标计算并判断距离远近，到达近距离范围时切换定位方式，通过UWB模块与事先布置的4个基站来计算相对位置实现近距离精准定位。

本文设计的切换算法是基于距离及GPS 信号的质量，具体切换算法如图10 所示。

图10 切换算法流程

首先，明确切换的阈值。GPS 定位信号质量较好（可见卫星数量＞4）时距离目标距离较远（欧氏距离＞100 m）时，宜进行GPS 定位；GPS 定位信号质量过差（可见卫星数量＜4）时或者距离目标较近（欧氏距离＜100 m）时，且UWB 可正常接收数据时，宜进行UWB定位，当可见卫星数量＞4 且UWB 无法定位时用GPS定位，其他情况输出无法定位。

实验对切换的触发条件做了部分更改，在室外GPS信号良好，可见卫星数量＞4 时系统默认采用GPS定位，在GPS 信号不良且可接收到UWB 信号时采用UWB进行定位。

3.2 定位系统数据处理

在实际定位时，由于室内外环境的复杂多变和信号传播有多路径性，测得的信号中有粗差和噪声。为了减少粗差、降低噪声，使数据输出更加平滑，从而进一步提高测试数据的稳定性和精度，可以加入卡尔曼滤波［15］。本文将GPS的定位模块经过高斯-克吕格投影坐标转换后的坐标位置和UWB 标签的位置作为状态向量。卡尔曼滤波方程：

增益矩阵Jk是在每次更新之前都能被确定的矩阵。当观测噪声R 越小时，Jk就越大，通过第1 个式子可以看出观测量对滤波过程的贡献就越大；当上一步状态向量的协方差阵DX（k－1／k－1）变小时，预测的协方差阵DX（k／k－1）也变小，进而Jk也变小，即增益效果不明显，观测量对滤波过程的贡献较小。

3.3 实验验证

系统实验装置的实验轨迹如图11 所示，双系统整体切换流畅，Kalman 滤波起到了较好的滤波效果，减小了GPS模块部分阶梯状跳跃轨迹。在室内外切换点附近会有4 或5 个采样点左右的延迟。总体来说，本实验装置满足智能停车场等环境的整体定位需求。

图11 GPS／UWB切换定位实验轨迹

4 结 语

本文基于STC8H8K64U 单片机实现了单频GPS模块和UWB模块的数据解析和相对坐标解算，并对两者单独定位的动态轨迹和静态定位效果进行了分析，得出任一定位系统的定位精度满足车辆定位所需，但是无法满足智能停车场室内外全场景定位要求的结论。调试卡尔曼滤波的相关参数，进一步提高了定位质量。设计了基于GPS／UWB的室内外无缝组合定位系统的切换算法并对实验结果进行分析，组合定位系统的定位效果基本满足智能停车场的车辆定位所需。在实际搭建基于STC单片机的GPS／UWB室内外无缝定位实验装置的过程中，可使学生将所学的理论知识与实践相结合，更好地理解理论知识，同时可使学生掌握工程实践知识，提高学生的工程实践能力。